Organiska halvledare, en klass av kolbaserade material med optiska och elektroniska egenskaper, används nu ofta för att tillverka en mängd olika enheter, inklusive solceller, ljusemitterande dioder och fälteffekttransistorer. Dessa halvledande material kan uppvisa en egenskap som kallas mycket unipolär laddningstransport, vilket i huvudsak betyder att de övervägande leder antingen elektroner eller hål. Detta kan vara något problematiskt, eftersom det hindrar deras effektivitet och prestanda.

Forskare vid Max Planck Institute for Polymer Research har nyligen identifierat ett energifönster inuti vilket organiska halvledare inte upplever laddningsfångning. Som förklaras i deras tidning, publiceras i Naturmaterial , detta fönster möjliggör fällfri laddningstransport av båda bärarna.

"2012 undersökte vi fångsten av elektroner i konjugerade polymerer och vi fann att en sänkning av energinivåerna vid vilka elektrontransport äger rum (dvs LUMO) kan minska mängden elektroninfångning, " Gert-Jan Wetzelaer, en av forskarna som genomförde studien, berättade för TechXplore. "Förra året, vi utvecklade en strategi för att förbättra elektroderna i organiska halvledarenheter, vilket gjorde att vi kunde undersöka organiska halvledare med ett mycket stort intervall av energinivåer. I vår nya studie, vi var intresserade av hur läget för dessa energinivåer skulle påverka transporten av både elektroner och hål, även för mycket djupa energinivåer, som tidigare inte kunde utforskas."

För att undersöka hur energinivåernas läge kan påverka en halvledares förmåga att transportera både elektroner och hål, Wetzelaer och hans kollegor mätte elektron- och hålströmmar i en mängd olika organiska halvledare. I deras tidigare arbete, de observerade att graden till vilken denna ström beror på spänningen som appliceras över en halvledande film kan användas som ett mått på mängden laddningsfångning.

När forskarna mätte strömmen som passerade genom ett stort antal organiska halvledare med olika energinivåer, de fann att energinivåerna hos enskilda material påverkade om strömmen var begränsad av laddningsfångning eller inte. Efter att ha genomfört en serie experiment och samlat in många observationer, de kunde identifiera ett fönster där organiska halvledare kan uppnå fällfri laddningstransport.

Mer specifikt, de observerade att när joniseringsenergin hos ett material stiger över 6 eV, hålfångning inträffar och därmed kommer den inte längre att kunna leda hål effektivt. Å andra sidan, när ett materials elektronaffinitet är lägre än 3,6 eV, den kommer inte att kunna transportera elektroner effektivt. För att effektivt leda både elektroner och hål, därför, ett materials joniserings- och elektronaffinitetsenerginivåer bör ligga inom detta specifika fönster.

"Våra resultat innebär att för optimal prestanda, energinivåerna för de organiska halvledarna som används i enheter, såsom OLED och organiska solceller, bör vara idealiskt beläget innanför det upptäckta energifönstret, " sa Wetzelaer. "Inuti detta energifönster, ledning av laddningsbärare kommer att vara effektiv, vilket är viktigt för att omvandla el till ljus och vice versa."

Studien utförd av Wetzelear och hans kollegor introducerar en generell designregel för organiska halvledare som kan användas för tillverkning av OLED:er, solceller och fälteffekttransistorer. Denna "allmänna regel" specificerar önskvärda energinivåer för att uppnå högre effektivitet och konduktivitet i enheter byggda med dessa material.

"Vi har nyligen lyckats skapa en mycket effektiv OLED baserat på dessa designregler, med en mycket mindre komplex enhetsarkitektur än vad som normalt används, " tillade Wetzelaer.

Wetzelaer och hans kollegor genomförde en serie simuleringar och samlade ytterligare intressanta resultat, vilket tyder på att vattenkluster kan vara källan till hålfångning. Denna nyckelobservation kan hjälpa till att utforma strategier för att ta bort laddningsfällor från halvledande filmer.

I framtiden, energifönstret som identifierats av detta team av forskare skulle kunna informera utvecklingen av mer effektiva halvledarbaserade enheter. Dessutom, deras observationer väcker intressanta frågor relaterade till designen av blå OLED.

"I blå OLED, det erforderliga energigapet för emission av blått ljus är cirka 3,0 eV, som är större än det fällfria fönstret, " sa Wetzelaer. "Vi planerar nu att undersöka strategier för att ta bort eller inaktivera laddningsfällor i organiska halvledare, för att kunna göra högeffektiva blå OLEDs."

© 2019 Science X Network